Omnifobisuuden tuottaminen teräksen pinnalle kerrosrakenteisella nanopinnoitteella
Sorvali, Miika (2017)
2017
Teknis-luonnontieteellinen
Teknis-luonnontieteellinen tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2017-06-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201705241484
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201705241484
Tiivistelmä
Funktionaalisten nanopinnoitteiden tutkimus ja kehittäminen on kiihtynyt jatkuvasti viimeisen vuosikymmenen aikana. Kuitenkin etenkin kovat ja vaikeasti muokattavat substraatit, kuten ruostumaton teräs, tuottavat edelleen paljon haasteita. Omnifobiset eli nesteitä hylkivät pinnat ovat yksi nykyään mielenkiintoa herättävistä sovelluksista. Useampien toiminnallisten kerrosten yhdistäminen avaa mahdollisuuksia entistä parempien ja monipuolisempien pinnoitteiden valmistamiseen.
Tämän työn tarkoituksena oli etsiä uusia ratkaisuja tuottaa ruostumattomalle teräkselle voimakkaasti omnifobinen ja mahdollisesti kestävä ohutpinnoite hyödyntäen kerrosrakennetta. Valmistettiin kolmesta kerroksesta koostuva rakenne. Ensimmäisenä substraatille tuotettiin nesteliekkiruiskutuksella (Liquid Flame Spray, LFS) TiO2-nanohiukkasia sopivan pintatopografian luomiseksi. Seuraavaksi hiukkaskerrosta vahvistettiin pinnoittamalla päälle ohut Al2O3-kerros atomikerroskasvatuksella (Atomic Layer Deposition, ALD). Päällimmäiseksi valittiin silaanikerros pintaenergian laskemiseksi, vahvistaen näin pinnan omnifobisuutta.
Pinnan rakennetta ja kemiallista koostumusta tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskopian (Scanning Electron Microscopy, SEM) ja fotoelektronispektroskopian (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) avulla. Pinnan hylkivyyttä eri nesteille tutkittiin kontaktikulmamittauksilla ja mekaanista kestävyyttä yksinkertaisen teippitestin sekä naarmutustestin avulla. LFS tuotti pinnalle nanorakenteen, jonka ALD-kerros peitti tasaisesti muodostaen silaanikerroksen kanssa tiettävästi ohuimman (paksuimmillaan n. 140 nm) kirjallisuudessa raportoidun kerrosrakenteisen, omnifobisen pinnoitteen. Superomnifobisuus eli ’täydellinen’ hylkivyys saavutettiin vedelle, dijodimetaanille ja etyleeniglykolille, joten tavoitteeseen päästiin tältä osin suhteellisen hyvin. Pinnoitteen mekaaninesta kestävyydestä on vaikea sanoa mitään varmaa, mutta pinnan nanorakenne luultavasti häviää melko helposti olosuhteissa, joissa pinta altistuu mekaaniselle kulumiselle. Sintrauksella ei ollut suurta vaikutusta pinnoitteen ominaisuuksiin.
Tämän työn tarkoituksena oli etsiä uusia ratkaisuja tuottaa ruostumattomalle teräkselle voimakkaasti omnifobinen ja mahdollisesti kestävä ohutpinnoite hyödyntäen kerrosrakennetta. Valmistettiin kolmesta kerroksesta koostuva rakenne. Ensimmäisenä substraatille tuotettiin nesteliekkiruiskutuksella (Liquid Flame Spray, LFS) TiO2-nanohiukkasia sopivan pintatopografian luomiseksi. Seuraavaksi hiukkaskerrosta vahvistettiin pinnoittamalla päälle ohut Al2O3-kerros atomikerroskasvatuksella (Atomic Layer Deposition, ALD). Päällimmäiseksi valittiin silaanikerros pintaenergian laskemiseksi, vahvistaen näin pinnan omnifobisuutta.
Pinnan rakennetta ja kemiallista koostumusta tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskopian (Scanning Electron Microscopy, SEM) ja fotoelektronispektroskopian (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) avulla. Pinnan hylkivyyttä eri nesteille tutkittiin kontaktikulmamittauksilla ja mekaanista kestävyyttä yksinkertaisen teippitestin sekä naarmutustestin avulla. LFS tuotti pinnalle nanorakenteen, jonka ALD-kerros peitti tasaisesti muodostaen silaanikerroksen kanssa tiettävästi ohuimman (paksuimmillaan n. 140 nm) kirjallisuudessa raportoidun kerrosrakenteisen, omnifobisen pinnoitteen. Superomnifobisuus eli ’täydellinen’ hylkivyys saavutettiin vedelle, dijodimetaanille ja etyleeniglykolille, joten tavoitteeseen päästiin tältä osin suhteellisen hyvin. Pinnoitteen mekaaninesta kestävyydestä on vaikea sanoa mitään varmaa, mutta pinnan nanorakenne luultavasti häviää melko helposti olosuhteissa, joissa pinta altistuu mekaaniselle kulumiselle. Sintrauksella ei ollut suurta vaikutusta pinnoitteen ominaisuuksiin.